[发明专利]一种位错对铁电材料畴结构影响机理的分析方法和系统

说明书

本发明实施例公开了一种位错对铁电材料畴结构影响机理的分析方法和系统，该方法包括：步骤S1，建立包含压电效应的第一压电效应计算模型；步骤S2，基于位错在铁电材料中引起的应力应变场和第一压电效应计算模型，建立包含位错的第二压电效应计算模型；步骤S3，基于包含位错的第二压电效应计算模型和挠曲电效应能量密度方程，建立挠曲电效应计算模型；步骤S4，基于包含位错的第二压电效应计算模型和挠曲电效应计算模型，生成极化矢量图和/或极化云图。本发明实施例与传统的仅考虑压电效应的位错相场模型相比，考虑了挠曲电效应，获得了与实验结果更吻合的模拟结果。

技术领域

本发明属于铁电材料模拟技术领域，特别涉及一种位错对铁电材料畴结构影响机理的分析方法和系统。

背景技术

传统半导体存储器主要有两大体系：易失性存储器和非易失性铁电存储器。

非易失性铁电存储器(FRAM)是由美国Ramtron公司生产的非易失性铁电介质读写存储器。其核心是铁电晶体材料，铁电晶体材料使得铁电存储产品同时拥有随机存储器(RAM)和非易失性存储器的特性。非易失性铁电存储器因其众多优良的特性有着广泛的应用潜力，被誉为最有潜力的存储器。然而，非易失性铁电存储器存在一系列亟待解决的失效问题(例如，铁电材料的退化问题)，这些失效问题都与铁电材料的极化(即畴结构)有关。铁电材料中存在的缺陷(例如，位错)通常会是极化翻转过程中新畴结构的潜在成核点，因而深入研究缺陷对极化翻转的影响，对提高铁电性能和防止铁电存储器的退化来说是迫切需要的。

位错是最常见的一种缺陷，它会在铁电材料制备过程中不可避免地产生。由于实验无法直观测量到位错对极化(即畴结构)的具体影响作用，因而常通过理论模型来进行内在机理的研究。

为了研究位错对铁电材料极化(即畴结构)的具体影响作用，Alpay等人通过基于Landau-Devonshire形式的热力学模型研究位错处的极化梯度对铁电材料铁电性能的影响，发现铁电材料中的位错会形成影响电畴翻转的死层，该死层也会减弱铁电材料其他铁电性能；Zheng等人通过相场理论研究铁薄膜/基底界面处位错对铁电材料电学性能的影响，发现界面位错会在高温下极大地减小铁电材料的平均极化，从而数倍地减小有效的居里温度，并对局部介电性能产生非常大的影响。

虽然以上研究中所采用模型均考虑了极化与位错应变场的耦合，即压电效应，它们在一定程度能揭示位错与铁电材料极化的相互作用。但是由于位错附近存在巨大的应变梯度，这个巨大的应变梯度会与极化通过挠曲电耦合效应发生耦合，最终产生挠曲电极化，从而显著改变附近极化场的分布。而现有的位错理论模型只考虑了压电效应，均未考虑挠曲电效应，挠曲电效应的忽略会导致位错在铁电材料极化(即畴结构)演化及失效中所起作用被严重低估。

因此，有必要提出一种同时考虑压电效应和挠曲电效应的理论模型，以观察铁电材料内不同角度的刃型位错对铁电畴结构的影响，使得模拟结果更准确。

发明内容

本发明的目的是提供一种位错对铁电材料畴结构影响机理的分析方法和系统，本发明针对现有位错相场模型存在的问题，提供一种简单、准确的模拟方法，通过分析不同柏氏矢量方向的位错对铁电材料畴结构变化的影响，揭示了现有技术中较难直接测量到的位错影响机理。

为实现上述目的，本发明的一个方面提供了一种位错对铁电材料畴结构影响机理的分析方法，所述方法包括：

步骤S1，建立包含压电效应的第一压电效应计算模型；

步骤S2，基于位错在铁电材料中引起的应力应变场和第一压电效应计算模型，建立包含位错的第二压电效应计算模型；

步骤S3，基于包含位错的第二压电效应计算模型和挠曲电效应能量密度方程，建立挠曲电效应计算模型；

步骤S4，基于包含位错的第二压电效应计算模型和所述挠曲电效应计算模型，生成极化矢量图和/或极化云图。